[发明专利]扁平碳基纳米结构材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及具有小厚度和高纵横比的成片状石墨细颗粒的低温制备方法。通过该方法获得的碳基纳米结构(carbon based nanostructure,CBNS)可具有4至20nm范围内的厚度和500至7000的纵横比以及各种表面化学，并可在广泛应用中用作高功能性石墨材料。

背景技术

类石墨烯的扁平CBNS是已知的碳基材料，其具有包括高导电性和导热性的多种独特性质。具有多碳层的CBNS的制备与理想的石墨烯相比似乎更加简单。同时，许多这些扁平CBNS具有与理想的石墨烯几乎相同的导电性和光学性质，结果可在广泛的商业应用中使用。

本发明的目的为开发可适用于大规模地制备扁平状CBNS的扁平CBNS的新制备方法。

发明内容

发明要解决的问题

石墨材料具有优异的性质，如高导电性、润滑性、耐腐蚀性和耐热性，并在广泛的工业应用中使用。在大多数这些应用中，石墨通常用作仅由石墨组成或由石墨与其他材料的组合组成的成型品。在其它应用中，石墨粉作为扁平柔性电极、固体润滑剂等的形成材料占有重要地位。

用于这些应用的粒状石墨应具有纵横比高的细颗粒形式，这是因为它们可均匀地分散以具有许多相互接触位置，从而给予其功能特性如导电性和导热性。

在现有技术中，通常通过机械分散天然或合成石墨的湿法或干法研磨法来制备粒状石墨。然而，所有已知的研磨方法都涉及一些问题。它们中最重要的问题在于难以将石墨高分散度地精制，这是由于石墨的结晶以在石墨晶格面之间发生滑移这样的方式发展。结果，通过增加研磨功率或研磨时间不能获得具有均匀形状的细颗粒。另一方面，通过研磨热膨胀石墨(Thermal Expanded Graphite,TEG)来制备石墨粉(例如通过热处理插层石墨来制备)的情况下，难以通过使用常规机械研磨方法使膨胀石墨减小为细颗粒。具体地，膨胀石墨的晶格面趋于垂直于负载或冲击的方向取向，导致薄膜的形成。另外，TEG颗粒非常柔软，并容易压扁和压成板状块。此外，TEG颗粒非常松散且轻，趋于在研磨加工期间飞散。

为了避免这些问题，日本专利申请特开S’61-127612A(DERWENT摘要86-194944/30)公开了一种导电性石墨材料的制备方法，在所述方法中，在TEG的间隙(interstices)用液体浸渍或另外地还将该液体冻结的情况下研磨TEG。由此，可解决颗粒飞散的问题；然而，大多数问题仍未解决。所以，由于该方法基于通过直接机械冲击力来研磨，期望完全用液体浸渍膨胀石墨的间隙，产生液体浸渍-消除的额外操作。此外，尽管膨胀石墨用液体浸渍，但仍难以将其均匀地研磨。最后，该方法最重要的问题是大规模石墨精制加工的低效性。

美国专利5,330,680描述了包括如下步骤的方法：将TEG颗粒分散至液体中并通过在液体中暴露于超声波来粉碎石墨颗粒。该方法使得能够制备更均匀的具有小直径和高纵横比的成片状石墨细颗粒。该专利表明将TEG颗粒直接分散至液体中，而无需将存在于颗粒结构中的间隙用液体浸渍的任何特殊操作，在使其停留在液体中的同时将其粉碎。根据该方法，成片状石墨细颗粒具有1μm(1000nm)以下的厚度、1至100μm的直径和100至7000范围内的平均纵横比。

然而，该方法不能确保TEG微晶的均匀裂开(splitting)，这是由于液体分子插入石墨层间区域的内部是缓慢的过程。在用于美国专利5,330,680的实际条件下，该插入不能发生在石墨晶体内部的整个体积中；本领域技术人员可预料到仅插入到石墨颗粒的表面层的层间区域。此类表面裂开模式进行地非常缓慢。该专利所获得的结果证实了该推测，这是因为未得到证实微晶尺寸小于约70nm的数据。

简言之，根据现有技术的研磨或其他方法来制备具有均匀分布的小粒径(特别是厚度)和高纵横比的石墨细颗粒是非常困难的。因此，存在对获得均匀的薄石墨颗粒的制备方法的需要。

为了解决现有技术技术方案的上述问题，本发明提供了具有小厚度、高纵横比和多种表面化学的均匀的成片状石墨细颗粒的形成方法，可容易地使用所述方法来制备广泛用途的高功能性石墨材料。

用于解决问题的方案